EP3658797A1 - Bremsscheibe und verfahren zur herstellung einer bremsscheibe - Google Patents

Bremsscheibe und verfahren zur herstellung einer bremsscheibe

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EP3658797A1
EP3658797A1 EP18742445.2A EP18742445A EP3658797A1 EP 3658797 A1 EP3658797 A1 EP 3658797A1 EP 18742445 A EP18742445 A EP 18742445A EP 3658797 A1 EP3658797 A1 EP 3658797A1
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brake disc
chromium
tungsten
nickel
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Ilja Potapenko
Thomas Pfeiffer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F16D2250/0038—Surface treatment
    • F16D2250/0046—Coating

Definitions

  • the present invention relates to a brake disc and a method for
  • Brake discs have the task to transmit the braking torque at a deceleration of the vehicle on the axis and to temporarily store the kinetic energy occurring during braking in the form of heat and subsequently deliver again via line, radiation and convection.
  • Wear-resistant brake discs are manufactured using either very expensive all-ceramic brake discs or cast iron (GG) discs using thermal spray techniques such as HVOF
  • a wear protection layer is sprayed.
  • WC-based powder is often used, which leads to high wear resistance.
  • Such a brake disc is shown in DE 10 2011 087 136 AI.
  • the invention is based on a brake disk with at least one friction surface consisting of a main body.
  • the main body can be made of gray cast iron.
  • At least one coating is applied to at least parts of the friction surface.
  • the essence of the invention is that the coating contains at least tungsten chromium carbide (W, Cr) 2 C and nickel-chromium NiCr.
  • the coating further contains tungsten carbide WC.
  • the tungsten chromium carbide (W, C 2C) is tungsten carbide W2C, in which chromium is incorporated in different amounts, therefore this mixed carbide is called (W, C 2C)
  • This phase has excellent oxidation resistance and good wear resistance even at high temperatures up to 800 ° C.
  • the high-temperature strength and oxidation resistance of nickel by the alloy with chromium clearly increase.
  • tungsten carbide WC are embedded substantially uniformly in a matrix phase of tungsten-chromium carbide (W, Cr) 2C and nickel-chromium NiCr.
  • Layer surface form a very thin and dense oxide layer, which may contain in particular at least nickel tungsten oxide NiW0 and / or chromium tungsten oxide CrW0 4 and / or chromium oxide Cr203 and / or tungsten oxide WO3.
  • the formation of the oxide layer considerably slows down the further oxidation process of the wear protection layer, which very effectively avoids oxidation and a loss of functionality of the coating at high temperatures.
  • the coating according to the invention can be applied directly to the base body. It is provided in particular that the coating is applied to a machined or modified surface of the base body. But the coating according to the invention can also by means of at least one
  • Intermediate layer may be applied to the base body, wherein the intermediate layer may be a metallic intermediate layer containing, for example, nickel Ni. But the intermediate layer can also by means of a treatment of the surface of the base body, wherein the intermediate layer may be a metallic intermediate layer containing, for example, nickel Ni. But the intermediate layer can also by means of a treatment of the surface of the base body, wherein the intermediate layer may be a metallic intermediate layer containing, for example, nickel Ni. But the intermediate layer can also by means of a treatment of the surface of the
  • Basic body for example, by a remelting process, be realized.
  • the invention also relates to the production of a brake disk with at least one friction surface made of one, in particular made of cast iron, and at least one coating applied to at least parts of the friction surface.
  • the essence of the invention relates to the step of coating at least parts of the friction surface with at least tungsten chromium carbide ((W, Cr) 2C) and nickel-chromium (NiCr).
  • FIG. 1 shows a perforated and coated brake disc according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a transverse section of a coating coated according to the invention
  • FIG. 3 shows the production method according to the invention. Description of exemplary embodiments
  • the brake disk 1 shown in Figure 1 has a circular ring-shaped brake ring 2 and a one-piece with the brake ring 2 and coaxial, cup-shaped hub 3.
  • the friction ring 2 forms the actual brake disc.
  • the brake disc 1 is ventilated, its brake ring 2 is double-walled. Outer faces of the brake ring 2 form annular disc-shaped friction surfaces 4 of the brake disc 1.
  • the friction surfaces 4 are the surfaces of the brake disc 1, against the friction brake linings, not shown, are pressed to brake the brake disc 1 by friction.
  • the brake disc 1 is perforated, d. H. it has holes 5, which the
  • the brake disc 1 is made of gray cast iron or a steel alloy.
  • the friction surfaces 4 of the brake disc 1 are provided with a surface coating which increases wear resistance and corrosion resistance.
  • the surface coating may be a thermal powder coating applied, for example, by flame or arc spraying.
  • Surface coating of the friction surfaces 4 may carbides, in particular
  • Metal carbides for example chromium or tungsten carbides, which are embedded in a matrix, in particular a metallic matrix, for example, nickel or cobalt.
  • the wear resistance and corrosion resistance increasing surface coating of the friction surfaces 4 may be one or more layers.
  • the core of the invention according to the illustrated embodiment is, as already mentioned, the use of a wear protection layer on cast iron
  • Brake discs consisting of tungsten carbide WC, tungsten chromium carbide (W, C 2C and nickel-chromium NiCr) (W, C 2C is tungsten carbide W2C, which is known per se and incorporates chromium of different amounts Mixed carbide referred to as (W, C 2C.) This phase has excellent oxidation resistance and good wear resistance even at high
  • WC is uniformly incorporated in the matrix phase of (W, Cr) 2C and NiCr. From a brake temperature of about 600 ° C, it will be at the Layer surface form a very thin dense oxide layer, which may include N1WO4, CrW0 4 , O2O3 or WO3. The formation of this oxide layer significantly slows down the further oxidation process of the wear protection layer, which significantly avoids the oxidation and loss of functionality of the coating at high temperatures.
  • FIG. 2 shows the cross section of a WC (W, Cr) 2 C-NiCr coated one
  • the reference numeral 201 the cast iron base body (etched, with
  • Phase transformation Phase transformation
  • 202 is a nickel interlayer
  • 203 is the WC (W, Cr) 2 C-NiCr layer.
  • the oxide layer formed on the surface of the wear protection layer 203 is so thin that it can not be observed from the micrograph. After the fading test, the surface of the wear protection layer 203 is still smooth and the layer thickness is almost the same as when new, which means that the layer was almost not worn after the test above 800 ° C.
  • WC- (W, Cr) 2C-NiCr coated cast iron brake disks is a direct coating of the wear protection layer by means of high velocity flame spraying (HVOF) on the cast iron base body.
  • HVOF high velocity flame spraying
  • the surface of the cast iron base may be protected from HVOF coating by e.g. Sandblasting to be roughened.
  • Nickel-based alloys used as the metallic intermediate layer.
  • compositions of the WC (W, Cr) 2C-NiCr wear protection layer are:
  • step 801 the basic body designed as cast iron in this embodiment is provided. Subsequently, in step 802, the friction surface of the base body is treated as mentioned above.
  • step 803 the friction surface of the main body is covered with the above-mentioned intermediate layer.
  • Step 804 is then applied the coating of the invention.

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Bremsscheibe mit wenigstens einer aus einem Grundkörper bestehenden Reibfläche. Der Grundkörper kann dabei aus Grauguss gefertigt sein. Auf wenigstens Teilen der Reibfläche ist wenigstens eine Beschichtung aufgebracht. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Beschichtung wenigstens Wolfram-Chromcarbid (W, Cr)2C und Nickel-Chrom NiCr enthält. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung weiterhin Wolframcarbid WC enthält. Die Erfindung betrifft ferner die Herstellung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe. Die erfindungsgemäße Beschichtung verfügt über exzellente Oxidationsbeständigkeit und gute Verschleißbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen bis 800 °C.

Description

Bremsscheibe und Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsscheibe bzw. ein Verfahren zur
Herstellung einer Bremsscheibe mit den Merkmalen der unabhängig formulierten Ansprüche.
Bremsscheiben haben die Aufgabe, das Bremsmoment bei einer Verzögerung des Fahrzeugs auf die Achse zu übertragen sowie die bei der Bremsung auftretende kinetische Energie kurzzeitig in Form von Wärme zwischenzuspeichern und nachfolgend über Leitung, Strahlung und Konvektion wieder abzugeben.
Konventionelle Bremsscheiben werden häufig aus dem temperaturbeständigen Grauguss hergestellt. Verschleißfeste Bremsscheiben werden hergestellt, indem entweder sehr teure Vollkeramik-Bremsscheiben eingesetzt oder auf eine Grauguss (GG)-Scheibe mittels thermischer Spritzverfahren, wie beispielsweise HVOF
Verfahren, eine Verschleißschutzschicht aufgespritzt wird. Dafür wird häufig WC- basiertes Pulver verwendet, was zu hoher Verschleißfestigkeit führt. Solch eine Bremsscheibe ist in der DE 10 2011 087 136 AI gezeigt.
Wie bereits erwähnt wird beim Bremsen Wärme erzeugt, welche in der Bremsscheibe gespeichert wird. Die Temperatur steigt in extremen Fällen, d.h. beim Bremsen aus voller Fahrt, auf bis zu 800 °C. Deswegen müssen die Verschleißschutzschichten der Gusseisen-Bremsscheiben ausreichende Verschleißbeständigkeit bei hohen
Temperaturen bis 800°C aufweisen. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Bremsscheibe mit wenigstens einer aus einem Grundkörper bestehenden Reibfläche. Der Grundkörper kann dabei aus Grauguss gefertigt sein. Auf wenigstens Teilen der Reibfläche ist wenigstens eine Beschichtung aufgebracht.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Beschichtung wenigstens Wolfram- Chromcarbid (W, Cr)2C und Nickel-Chrom NiCr enthält.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung weiterhin Wolframcarbid WC enthält. Beim Wolfram-Chromcarbid (W, C 2C handelt sich um Wolframdikarbid W2C, in das Chrom mit unterschiedlicher Menge eingebaut ist. Daher wird dieses Mischkarbid als (W, C 2C bezeichnet. Diese Phase verfügt über exzellente Oxidationsbeständigkeit und gute Verschleißbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen bis 800 °C. Darüber hinaus steigen die Hochtemperatur-Festigkeit und -Oxidationsbeständigkeit von Nickel durch die Legierung mit Chrom deutlich.
In der Beschichtung sind vorteilhafterweise Wolframcarbid WC in einer Matrixphase aus Wolfram-Chromcarbid (W, Cr)2C und Nickel-Chrom NiCr im Wesentlichen gleichmäßig eingelagert.
Ab einer Bremstemperatur von ca. 600 °C wird sich vorteilhafterweise an der
Schichtoberfläche eine sehr dünne und dichte Oxidschicht bilden, die insbesondere wenigstens Nickelwolframoxid NiW0 und/oder Chromwolframoxid CrW04 und/oder Chromoxid Cr203 und/oder Wolframoxid WO3 enthalten kann. Durch die Bildung der Oxidschicht wird der weitere Oxidationsprozess der Verschleißschutzschicht erheblich verlangsamt, was sehr wirksam eine Oxidation und einen Funktionalitätsverlust der Beschichtung bei hohen Temperaturen vermeidet. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann direkt auf den Grundkörper aufgebracht sein. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Beschichtung auf eine bearbeitet bzw. modifizierte Oberfläche des Grundkörper aufgebracht ist. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann aber auch mittels wenigstens einer
Zwischenschicht auf den Grundkörper aufgebracht sein, wobei die Zwischenschicht eine metallische Zwischenschicht, die beispielsweise Nickel Ni enthält, sein kann. Die Zwischenschicht kann aber auch mittels einer Behandlung der Oberfläche des
Grundkörpers, zum Beispiel durch eine Umschmelzprozess, realisiert sein.
Die Erfindung betrifft auch die Herstellung einer Bremsscheibe mit wenigstens einer aus einem, insbesondere aus Grauguss gefertigten, Grundkörper bestehenden Reibfläche und wenigstens einer auf wenigstens Teile des Reibfläche aufgebrachten Beschichtung.
Der Kern der Erfindung betrifft den Schritt der Beschichtung wenigstens Teile der Reibfläche mit wenigstens Wolfram-Chromcarbid ((W, Cr)2C) und Nickel-Chrom (NiCr).
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Die Figur 1 zeigt eine gelochte und beschichtete Bremsscheibe gemäß Stand der Technik. Die Figur 2 zeigt einen Querschliff einer erfindungsgemäß beschichteten
Bremsscheibe nach einem starken Bremsvorgang.
Die Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren. Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die in Figur 1 dargestellte Bremsscheibe 1 weist einen kreisringscheibenförmigen Bremsring 2 und eine mit dem Bremsring 2 einstückige und koaxiale, napfförmige Nabe 3 auf. Der Reibring 2 bildet die eigentliche Bremsscheibe. Die Bremsscheibe 1 ist innenbelüftet, ihr Bremsring 2 ist doppelwandig. Äußere Stirnflächen des Bremsrings 2 bilden kreisringscheibenförmige Reibflächen 4 der Bremsscheibe 1. Die Reibflächen 4 sind die Oberflächen der Bremsscheibe 1, gegen die beim Bremsen nicht dargestellte Reibbremsbeläge gedrückt werden, um die Bremsscheibe 1 durch Reibung zu bremsen. Die Bremsscheibe 1 ist gelocht, d. h. sie weist Löcher 5 auf, die den
Bremsring 2 durchsetzen. Die Bremsscheibe 1 besteht aus Grauguss oder einer Stahllegierung.
Die Reibflächen 4 der Bremsscheibe 1 sind mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, die eine Verschleißfestigkeit und eine Korrosionsbeständigkeit erhöht. Die Oberflächenbeschichtung kann eine thermische Pulverbeschichtung sein, die beispielsweise durch Flamm- oder Lichtbogenspritzen aufgetragen ist. Die
Oberflächenbeschichtung der Reibflächen 4 kann Carbide, insbesondere
Metallcarbide, beispielsweise Chrom- oder Wolframcarbide aufweisen, die in eine Matrix, insbesondere eine metallische Matrix, aus beispielsweise Nickel- oder Kobalt eingelagert sind. Die die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erhöhende Oberflächenbeschichtung der Reibflächen 4 kann ein- oder mehrschichtig sein.
Der Kern der Erfindung gemäß der dargestellten Ausführungsform ist wie bereits erwähnt die Verwendung einer Verschleißschutzschicht auf Gusseisen-
Bremsscheiben, die aus Wolframcarbid WC, Wolfram-Chromcarbid (W, C 2C und Nickel-Chrom NiCr besteht. Bei (W, C 2C handelt sich um das an sich bekannte Wolframdikarbid W2C, in das Chrom mit unterschiedlicher Menge eingebaut ist. Daher wird dieses Mischkarbid als (W, C 2C bezeichnet. Diese Phase verfügt über exzellente Oxidationsbeständigkeit und gute Verschleißbeständigkeit auch bei hohen
Temperaturen bis 800 °C. Darüber hinaus steigen die Hochtemperatur- Festigkeit und - Oxidationsbeständigkeit von Nickel durch die Legierung mit Chrom deutlich.
In der Beschichtung ist WC in der Matrixphase aus (W, Cr)2C und NiCr gleichmäßig eingelagert. Ab einer Bremstemperatur von ca. 600 °C wird es sich an der Schichtoberfläche eine sehr dünne dichte Oxidschicht bilden, die N1WO4, CrW04, O2O3 oder WO3 umfassen kann. Durch die Bildung dieser Oxidschicht wird der weitere Oxidationsprozess der Verschleißschutzschicht erheblich verlangsamt, was signifikant die Oxidation und den Funktionalitätsverlust der Beschichtung bei hohen Temperaturen vermeidet.
Die Figur 2 zeigt der Querschliff einer mit WC-(W, Cr)2C-NiCr beschichteten
Gusseisen-Bremsscheibe nach einem Bremsfadingtest über 800 °C. Mit dem Bezugszeichen 201 ist der Gusseisen-Grundkörper (geätzt, mit
Phasenumwandlung), mit dem Bezugszeichen 202 eine Nickel-Zwischenschicht und mit 203 die WC-(W, Cr)2C-NiCr-Schicht bezeichnet.
Die gebildete Oxidschicht an der Oberfläche der Verschleißschutzschicht 203 ist so dünn, dass es aus dem Schliffbild gar nicht beobachtet werden kann. Nach dem Fadingtest ist die Oberfläche der Verschleißschutzschicht 203 noch glatt und die Schichtdicke ist fast gleich wie im Neuzustand, was bedeutet, dass die Schicht nach dem Test über 800 °C fast nicht verschlissen wurde.
Eine Ausführungsform der mit WC-(W, Cr)2C-NiCr beschichteten Gusseisen- Bremsscheiben ist eine direkte Beschichtung der Verschleißschutzschicht mittels Hochgeschwindigkeitflammspritzen (HVOF) auf den Gusseisen-Grundkörper. Um eine gute Schichthaftung auf dem Gusseisen-Grundkörper sicherzustellen, kann die Oberfläche des Gusseisen-Grundkörpers vor der HVOF-Beschichtung durch z.B. Sandstrahlen aufgeraut werden.
Eine weitere Ausführungsform ist, eine metallische Zwischenschicht als Haftvermittler auf den Gusseisen-Grundkörper vor der HVOF-Beschichtung der
Verschleißschutzschicht aufzubringen. Hierzu wird bevorzugt Nickel oder
Nickelbasislegierungen als der metallischen Zwischenschicht verwendet.
Die bevorzugten Zusammensetzungen der WC-(W, Cr)2C-NiCr- Verschleißschutzschicht sind:
• 30-50 Gewichtsprozent WC, • 20-40 Gewichtsprozent (W, Cr)2C,
• 10-35 Gewichtsprozent NiCr,
• sowie Verunreinigungen Anhand der Figur soll nun das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe erläutert werden.
Im (optionalen) Schritt 801 wird der in dieser Ausführungsform als Grauguss ausgeführte Grundkörper bereitgestellt. Anschließend wird im Schritt 802 die Reibfläche des Grundkörpers wie oben erwähnt behandelt.
Im (optionalen) Schritt 803 wird der die Reibfläche des Grundkörpers mit der oben erwähnten Zwischenschicht belegt.
Schritt 804 wird dann die erfindungsgemäße Beschichtung aufgebracht.

Claims

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
Ansprüche
1. Bremsscheibe (1) mit
• wenigstens einer aus einem, insbesondere aus Grauguss gefertigten,
Grundkörper (201) bestehenden Reibfläche (4) und
• wenigstens einer auf wenigstens Teile des Reibfläche (4) aufgebrachten
Beschichtung (203),
dadurch gekennzeichnet, dass
• die Beschichtung (203) wenigstens Wolfram-Chromcarbid ((W, C 2C) und Nickel-Chrom (NiCr) enthält. 2. Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (203) weiterhin Wolframcarbid (WC) enthält.
3. Bremsscheibe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der
Beschichtung (203) das Wolframcarbid (WC) in einer Matrixphase aus Wolfram- Chromcarbid ((W, Cr)2C) und Nickel-Chrom (NiCr) im Wesentlichen gleichmäßig eingelagert ist.
4. Bremsscheibe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (203) eine Oberflächenschicht aufweist, die Oxide enthält.
5. Bremsscheibe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberflächenschicht wenigstens Nickelwolframoxid (NiW0 ) und/oder
Chromwolframoxid (CrW0 ) und/oder Chromoxid (C^Os) und/oder Wolframoxid (WO3) enthält.
6. Bremsscheibe (1) nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht, ausgehend von einer Beschichtung gemäß Anspruch 1, erst nach Bremsvorgängen bestimmten Ausmaßes vorliegt.
7. Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (203) direkt auf den Grundkörper (201) aufgebracht ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Beschichtung (203) auf eine modifizierte Oberfläche des Grundkörper aufgebracht ist.
8. Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (203) mittels wenigstens einer Zwischenschicht (202) auf den
Grundkörper (201) aufgebracht ist. 9. Bremsscheibe (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zwischenschicht (202) Nickel (Ni) enthält und/oder eine mittels einer Behandlung der Oberfläche des Grundkörpers (201) realisiert ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (1) mit wenigstens einer aus einem, insbesondere aus Grauguss gefertigten, Grundkörper bestehenden Reibfläche und wenigstens einer auf wenigstens Teile des Reibfläche aufgebrachten Beschichtung (203),
gekennzeichnet durch den Schritt (804)
Beschichten von wenigstens einem Teil der Reibfläche mit wenigstens Wolfram- Chromcarbid ((W, Cr)2C) und Nickel-Chrom (NiCr).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (203) weiterhin Wolframcarbid (WC) enthält. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtung
(203) das Wolframcarbid (WC) in einer Matrixphase aus Wolfram-Chromcarbid ((W, Cr)2C) und Nickel-Chrom (NiCr) im Wesentlichen gleichmäßig eingelagert ist.
EP18742445.2A 2017-07-25 2018-07-12 Bremsscheibe und verfahren zur herstellung einer bremsscheibe Active EP3658797B1 (de)

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PCT/EP2018/068912 WO2019020390A1 (de) 2017-07-25 2018-07-12 Bremsscheibe und verfahren zur herstellung einer bremsscheibe

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